海洋酸化下长牡蛎钙离子/钙调蛋白的响应规律及信号转导机制

Ocean acidification (OA) is one of most severe global environmental problems in 21st century, which could pose a series of negative effects on marine organisms, such as shellfish. With the deeper research, investigations on the mechanism of these effects are necessary. It has been discovered that OA could affect the calcium homeostasis and the expression level of some calcium-binding protein in shellfish. In this study, using Pacific oyster (Crassostrea gigas) as research object, the change law of intracellular and extracellular calcium and expression level of different calmodulins will be explored. The sensing and regulation mechanism of intracellular calcium by calmodulin and other membrane proteins will be examined. The direct regulation of catalase by calmodulin and “calcium–calmodulin–catalase–reactive oxygen species (ROS)” signal transduction pathway under OA will be investigated. The indirect regulation mechanism of “calcium–calmodulin–transcription factor–target genes” signal transduction pathway will be characterized. The response mechanism and living strategy of oyster to short and long OA treatment will be summarized and compared. This would make a solid foundation to better understand the response and adaptation mechanism of marine bivalve to OA.

海洋酸化是21世纪的重大全球性环境问题，其会对海洋生物如海洋贝类产生一系列负面影响。随着国内外研究的不断深入，探明这些影响的机理尤为迫切。研究发现，海洋酸化会影响贝类钙离子稳态以及钙离子结合蛋白如钙调蛋白的表达变化。因此，本课题将以长牡蛎为研究对象，研究分析不同时间酸化处理下，细胞内外钙离子和不同亚型钙调蛋白表达水平的变化规律，解析重要钙调蛋白通过膜蛋白参与钙离子水平的感应和调控作用；验证钙调蛋白与过氧化氢酶的相互作用，解析“钙离子–钙调蛋白–过氧化氢酶–活性氧”信号传递和调控机制；筛选酸化处理下重要钙调蛋白结合转录因子，阐述“钙离子–钙调蛋白–转录因子–靶基因”信号传递和调控机制；揭示不同时间酸化处理下长牡蛎生命活动的变化机理，总结长牡蛎在面对短期和长期的酸化处理时的生存策略，为认识双壳贝类生物对全球性的气候变化过程海洋酸化的响应适应机制提供理论基础。

牡蛎是世界上分布最广养殖范围最大的贝类，具有巨大经济价值。牡蛎可以形成牡蛎礁生态系统，在海洋生态系统中具有重要的环境价值。作为海洋中最重要的钙化生物之一，海洋酸化对牡蛎的影响也是不可忽略的。因此，本课题以长牡蛎为研究对象，进一步深入探究酸化处理下钙离子-钙调蛋白的变化规律和信号转导机制。研究证实了钙离子信号通路在牡蛎响应和适应酸化过程中的钙离子调控及氧化应激调控中发挥着重要作用。长牡蛎通过调控一系列钙离子结合蛋白的上调表达调控钙离子的内稳态，使得血细胞中的钙离子水平在长期酸化处理下有所恢复；通过“Ca2+-CaM-一氧化氮合酶（NOS）”信号通路的调节，促进了长期酸化处理下氧化应激水平的稳态。通过对筛选出的两个关键钙调蛋白类似蛋白的功能研究，查明了其在牡蛎对酸化响应中的生理调节功能。酸化处理下，CgCaLP-1直接参与了体内钙离子稳态的调节，并介导了外套膜表皮细胞的钙离子沉积作用。研究表明，牡蛎可以通过调控钙离子内稳态、增强钙离子沉积来对抗酸化引起的壳溶解，反映出牡蛎面对海洋酸化的应对策略。长期酸化处理下，CgCaLP-2表达水平显著上升且其能够直接调控细胞核中转录因子的表达，进一步调控转录过程，反应出长期的酸化处理下，牡蛎通过激活更多离子和酸碱调节蛋白的转录作用，加强与复制、转录、翻译等过程相关的基因的表达，上调表达大量钙结合蛋白实现细胞内Ca2+的充分补偿，来促进自身对高浓度CO2环境的适应性。综上，本研究大大丰富了酸化处理下海洋矿化生物钙离子变化和钙信号传递的基本理论，加深了对海洋矿化生物面对全球气候变化的响应策略的认识和理解。